关于Java多线程上下文切换的总结

下面是我对“关于Java多线程上下文切换的总结”这个话题的详细讲解：

简介

Java中的多线程机制可以实现并发执行，提高系统的吞吐量和效率。但是多线程机制也有它的弊端，例如上下文切换会给系统带来额外的开销。因此了解多线程上下文切换的机制对于Java程序员来说是非常重要的。

上下文（Context）切换

上下文切换是指当进程或线程需要访问一个未在当前内存中的资源时，操作系统会把当前运行的进程/线程的上下文（CPU寄存器和内存中的栈指针、指令计数器等）保存起来，然后恢复所需资源所在的进程/线程的上下文，使其变为当前运行的进程/线程，从而实现了对资源的访问。

多线程上下文切换

当线程数多于CPU数时，线程调度器（一般是操作系统内核）会将CPU时间片（时间片是指操作系统分配给每个可运行进程或线程的 CPU 使用时间）划分给不同的线程。而对于Java多线程来说，一个线程的状态切换往往会影响其他线程的执行，即所谓的上下文切换。

多线程上下文切换并不总是会带来额外的开销，在以下场景中可能会增加上下文切换的开销：

1. 线程cpu时间片被占满情况下强行切换；
2. 线程耗时操作（如IO等）过多。

另外，过多的线程上下文切换可能会导致CPU过度占用，从而造成系统的不稳定性。

如何避免多线程上下文切换

为了避免过多的线程上下文切换，我们可以采取一些措施：

1. 减少线程数：避免创建过多的线程，只创建必要的线程。
2. 线程池：对线程进行复用，避免频繁的创建、销毁线程。
3. 减少锁和同步的使用：多线程共享数据时使用锁和同步可能导致线程上下文切换的频繁发生，因此应该尽量避免不必要的锁和同步操作。
4. 使用无锁并发编程：无锁并发编程可以避免线程死锁，减少上下文切换的发生。

示例

以下是两条示例说明：

示例1：

public class ContextSwitchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    calculate();
                }
            }).start();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("time: " + (end-start) + " ms");
    }

    public static void calculate() {
        int sum = 0;
        for(int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            sum += i;
        }
    }
}

如上述代码所示，我们创建了10,000个线程，每个线程都会进行一个耗时的循环计算。运行代码可以发现，程序所用的时间很长，实际效率很低，这是因为切换10,000个线程的上下文状态所带来的额外开销。

示例2：

public class ContextSwitchDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0; i < 10000; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    calculate();
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
        while(!executorService.isTerminated()) {}
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("time: " + (end-start) + " ms");
    }

    public static void calculate() {
        int sum = 0;
        for(int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            sum += i;
        }
    }
}

如上述代码所示，我们使用线程池复用了线程。运行代码可以发现，程序所用的时间大大减少，实际效率很高，这是因为避免了不必要的线程上下文切换。